CN105445008A - 气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统，在底座上的一端固定设置有支撑架，底座上沿长度方向的两侧通过固定安装的两条导轨座设置有两条导轨，两条导轨上通过滑块连接有设置有气缸的气缸连接板，支撑架上在两条导轨之间分别通过安装在靠近支撑架一端的丝杠支撑侧组件和远离支撑架一端的丝杠支座组件设置驱动气缸连接板的丝杠，丝杠的一端连接手轮，气缸的驱动端连接拉力传感器的一端，拉力传感器的另一端通过连接板连接被测试的气动人工肌肉的非进气端，气动人工肌肉的进气端固定在支撑架上，支撑架上还通过连接杆连接位移传感器的一端，位移传感器的另一端通过螺丝固定在连接板上。本发明可以实现气动人工肌肉的静态特性的综合测试。

Description

气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统

技术领域

本发明涉及一种气动人工肌肉测试系统。特别是涉及一种气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统。

背景技术

气动人工肌肉因具有结构简单、重量轻、输出力/自重比大、柔性大等优点而广泛应用于下肢康复、医疗等领域。为了在工程实践中更好地对其进行伺服控制，需要测定气动人工肌肉的参数特性。然而现有针对气动人工肌肉静态特性的测试系统均过于简陋，存在拆装麻烦、无法快速更换、通用性差等问题。专利CN103940599提出了一种气动肌肉/气缸综合测试系统，但该装置仅能测试某一型号的气动人工肌肉的静态特性，且操作复杂。无法满足不同型号气动人工肌肉批量化测试的要求。

因此，针对以上问题，需要对现有气动人工肌肉静态特性测试系统进行合理的设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、操作方便高效、易于实现系列化、批量化生产的气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统。

本发明所采用的技术方案是：一种气动人工肌肉静态特性综合测试装置，包括底座，所述的底座上的一端固定设置有支撑架，所述底座上沿长度方向的两侧通过固定安装的两条导轨座设置有两条导轨，所述两条导轨上通过滑块滑动的连接有气缸连接板，所述支撑架上在两条导轨之间分别通过安装在靠近支撑架一端的丝杠支撑侧组件和远离支撑架一端的丝杠支座组件设置有用于驱动气缸连接板沿所述导轨移动的丝杠，所述丝杠位于丝杠支座组件的一端贯穿丝杠支座组件连接用于通过驱动所述丝杠旋转带动气缸连接板移动的手轮，所述气缸连接板上设置有气缸，所述气缸的驱动端连接拉力传感器的一端，所述拉力传感器的另一端通过连接板连接被测试的气动人工肌肉的非进气端，所述气动人工肌肉的进气端固定在所述的支撑架上，所述支撑架上还通过连接杆连接位移传感器的一端，所述位移传感器的另一端通过螺丝固定在所述连接板上。

所述的支撑架是通过垫铁固定设置在底座上。

所述气缸的驱动端是通过第二连接件连接拉力传感器的一端。

所述的拉力传感器是通过第一连接件与连接板相连。

在所述的丝杠上位于丝杠支座组件和手轮之间设置有防转动固定件。

一种气动人工肌肉静态特性综合测试装置的驱动系统，包括有气源组件，所述气源组件的出气口分别连接第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀的第Ⅰ阀口，所述第一电磁阀的第Ⅲ阀口连接气缸的无杆腔气口，所述第二电磁阀的第Ⅲ阀口连接气缸的有杆腔气口，所述第三电磁阀的第Ⅲ阀口连接气动人工肌肉的进气端，所述第三电磁阀的第Ⅱ阀口连接第四电磁阀的第Ⅰ阀口，所述气缸无杆腔气口设置有第一气压传感器，所述气缸有杆腔气口设置有第二气压传感器，所述气动人工肌肉的进气端设置有第三气压传感器，其中，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀的电磁驱动线圈分别各通过一个固态继电器连接数据采集系统的数字量输出端，所述第一气压传感器、第二气压传感器、第三气压传感器、拉力传感器和位移传感器的信号端分别连接数据采集系统的模拟量输入端，所述数据采集系统连接计算机。

所述的固态继电器输入端的负极连接数据采集系统的接地端，固态继电器输入端的正极连接数据采集系统的数字量输出端，所述的固态继电器输出端的负极分别连接所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀的24V接线端，固态继电器输出端的正极连接开关电源的24V接线端，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀的地端连接开关电源的接地端。

本发明的气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统，具有如下有益效果：

1.本发明利用气缸可以实现气动人工肌肉的静态特性的综合测试，包括等压测试、等长测试和等张测试；

2.本发明结构简单、拆装方便、可以快捷地实现各种内径和长度的气动人工肌肉测试的切换；

3.本发明利用直线导轨和丝杠可以快速定位和锁紧。

附图说明

图1是本发明气动人工肌肉静态特性综合测试装置的整体结构示意图；

图2是本发明气动人工肌肉静态特性综合测试装置驱动系统的构成原理示意图；

图3是本发明气动人工肌肉静态特性综合测试装置驱动系统的驱动原理图。

图中

1：底座2：导轨座

3：垫铁4：支撑架

5：连接杆6：气动人工肌肉

7：位移传感器8：丝杠支撑侧组件

9：连接板10：第一连接件

11：拉力传感器12：第二连接件

13：气缸14：气缸连接板

15：滑块16：导轨

17：丝杠18：丝杠支座组件

19：防转动固定件20：手轮

21：第一电磁阀22：第二电磁阀

23：第三电磁阀24：第四电磁阀

25：第一气压传感器26：第二气压传感器

27：第三气压传感器28：气源组件

29：数据采集系统30：计算机

31：固态继电器32：开关电源

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统做出详细说明。

如图1所示，本发明的气动人工肌肉静态特性综合测试装置，包括底座1，所述的底座1上的一端固定设置有支撑架4，所述的支撑架4是通过垫铁3固定设置在底座1上。所述底座1上沿长度方向的两侧通过固定安装的两条导轨座2设置有两条导轨16，所述两条导轨16上通过滑块15滑动的连接有气缸连接板14，所述支撑架4上在两条导轨16之间分别通过安装在靠近支撑架4一端的丝杠支撑侧组件8和远离支撑架4一端的丝杠支座组件18设置有用于驱动气缸连接板14沿所述导轨16移动的丝杠17，气缸连接板14与丝杠17是通过螺旋副相连接。所述丝杠17位于丝杠支座组件18的一端贯穿丝杠支座组件18连接用于通过驱动所述丝杠17旋转带动气缸连接板14移动的手轮20，在所述的丝杠17上位于丝杠支座组件18和手轮20之间还设置有防转动固定件19。所述气缸连接板14上设置有气缸13，所述气缸13的驱动端连接拉力传感器11的一端，所述气缸13的驱动端是通过第二连接件12连接拉力传感器11的一端。所述拉力传感器11的另一端通过连接板9连接被测试的气动人工肌肉6的非进气端，所述的拉力传感器11是通过第一连接件10与连接板9相连。所述气动人工肌肉6的进气端固定在所述的支撑架4上，所述支撑架4上还通过连接杆5连接位移传感器7的一端，所述位移传感器7的另一端通过螺丝固定在所述连接板9上。

通过转动手轮20带动丝杠17做旋转运动，丝杠17通过螺旋副带动与之相连的气缸连接板14和滑块15沿着导轨16做直线运动，从而实现气缸13的直线运动；转动防转动固定件19的手柄，锁紧丝杠17，从而锁紧与丝杠17相连的气缸连接板14，进而锁紧与之相连的气缸13。

如图2所示，本发明的气动人工肌肉静态特性综合测试装置的驱动系统，包括有气源组件28，所述气源组件28的出气口分别连接第一电磁阀21、第二电磁阀22和第三电磁阀23的第Ⅰ阀口，所述第一电磁阀21的第Ⅲ阀口连接气缸13的无杆腔气口，所述第二电磁阀22的第Ⅲ阀口连接气缸13的有杆腔气口，所述第三电磁阀23的第Ⅲ阀口连接气动人工肌肉6的进气端，所述第三电磁阀23的第Ⅱ阀口连接第四电磁阀24的第Ⅰ阀口，所述气缸13无杆腔气口设置有第一气压传感器25，所述气缸13有杆腔气口设置有第二气压传感器26，所述气动人工肌肉6的进气端设置有第三气压传感器27，其中，所述第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23和第四电磁阀24的电磁驱动线圈分别各通过一个固态继电器31连接数据采集系统29的数字量输出端，所述第一气压传感器25、第二气压传感器26、第三气压传感器27、拉力传感器11和位移传感器7的信号端分别连接数据采集系统29的模拟量输入端，所述数据采集系统29连接计算机30。

如图3所示，所述的固态继电器31输入端的负极连接数据采集系统29的接地端GND，固态继电器31输入端的正极连接数据采集系统29的数字量输出端DO，所述的固态继电器31输出端的负极分别连接所述第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23和第四电磁阀24的24V接线端，固态继电器31输出端的正极连接开关电源32的24V接线端，所述第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23和第四电磁阀24的地端连接开关电源32的接地端。数据采集系统29的控制信号经过固态继电器31放大后驱动第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23和第四电磁阀24动作。

本发明的气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统，工作过程如下：通过转动手轮20，调节气缸13的位置，使得气动人工肌肉6处于初始长度位置，转动防转动固定件19的手柄，锁紧丝杠17，从而锁紧与之相连的气缸13，通过计算机30控制数据采集系统29输出的数字量经过固态继电器31放大后驱动第一电磁阀21和第二电磁阀22调节气缸13有杆腔和无杆腔的气压，使得气缸13产生的拉力大于气动人工肌肉6的最大拉力，通过计算机30控制数据采集系统29输出的数字量，经过固态继电器31放大后驱动第一电磁阀21和第二电磁阀22关闭气缸13两腔，使得气缸13产生的拉力恒定，从而保证气动人工肌肉6两端均固定。通过计算机30控制数据采集系统29输出的数字量经过固态继电器31放大后驱动第三电磁阀23和第四电磁阀24调节气动人工肌肉6腔室内压力，从零压力(表压)开始每隔一段时间给气动人工肌肉6顺次加压，当腔内压力达到气动人工肌肉6最大工作压力后再顺次每间隔一段时间给气动人工肌肉6减压至零压力(表压)，在整个实验过程中第三气压传感器27和拉力传感器11分别记录气动人工肌肉6腔内压力及其输出力的数值，通过数据采集系统29传输给计算机30并在计算机30上显示。完成上述实验过程后，转动防转动固定件19的手柄，松开丝杠17，从而松开与之相连的气缸13，转动手轮20，调节气缸13的位置，使气动人工肌肉6置于其它测量位置，重复上述过程，即可得到气动人工肌肉6在不同长度下收缩力与气压间的关系曲线，即等长特性曲线。

通过计算机30控制数据采集系统29输出的数字量经过固态继电器31放大后驱动第三电磁阀23和第四电磁阀24调节气动人工肌肉6腔室内压力，通过第三气压传感器27测量气动人工肌肉6内气压，使其维持在某一固定压力值。转动防转动固定件19的手柄，锁紧丝杠17，从而锁紧与之相连的气缸13。通过计算机30控制数据采集系统29输出的数字量经过固态继电器31放大后驱动第一电磁阀21和第二电磁阀22调节气缸13内的气压，使其有杆腔从零压力(表压)开始顺次加压，从而对气动人工肌肉6施加外负载，使充气收缩的气动人工肌肉6在外负载力的作用下伸长；当气动人工肌肉6伸长至初始长度时，逐渐减小气缸13有杆腔内的压力至零压力(表压)，使气动人工肌肉6逐渐收缩至原长度，完成一次测量循环。在整个测量工程中，拉力传感器11与位移传感器7分别记录气动人工肌肉6产生的收缩力和收缩位移，第一气压传感器25和第二气压传感器26分别记录气缸13无杆腔和有杆腔的气压，通过数据采集系统29传输给计算机30并在计算机30上显示。改变气动人工肌肉6腔内的压力，重复上述步骤，即可完成气动人工肌肉6的静态等压特性实验，得到气动人工肌肉6在不同充气压力下收缩力和收缩率间的关系曲线，即等压特性曲线。

通过转动手轮20，调节气缸13的位置，使得气动人工肌肉6处于初始长度位置，转动防转动固定件19的手柄，锁紧丝杠17，从而锁紧与之相连的气缸13，通过计算机30控制数据采集系统29输出的数字量经过固态继电器31放大后驱动第一电磁阀21和第二电磁阀22调节气缸13有杆腔和无杆腔的气压，使得气缸13产生对气动人工肌肉6恒定的拉力，通过第一气压传感器25和第二气压传感器26反馈给计算机保证气缸13两腔的气压恒定，从而保证气缸13产生的拉力恒定。接着通过计算机30控制数据采集系统29输出的数字量经过固态继电器31放大后驱动第三电磁阀23和第四电磁阀24调节气动人工肌肉腔内压力，从零压力(表压)开始每隔一端时间给气动人工肌肉6顺次加压，当腔内压力达到气动人工肌肉6最大工作压力后再顺次每间隔一段时间给气动人工肌肉6减压至零压力(表压)，在整个实验过程中第三气压传感器27和位移传感器7分别记录气动人工肌肉6腔内压力及其位移的数值，第一气压传感器25和第二气压传感器26分别记录气缸13无杆腔和有杆腔的气压，通过数据采集系统29传输给计算机30并在计算机30上显示。通过计算机30控制数据采集系统29输出的数字量经过继电器放大后驱动第一电磁阀21和第二电磁阀22调节气缸13有杆腔和无杆腔的气压，从而调节气缸13对气动人工肌肉6的拉力，重复上述步骤，即可完成气动人工肌肉6的静态等张特性实验，得到气动人工肌肉6在不同拉力下收缩率和气压间的关系曲线，即等张特性曲线。

本发明的气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统，可应用于现有不同内径和长度的气动人工肌肉6。具体包括：内径分别为5mm、10mm、20mm和40mm以及长度为40～9000mm的气动人工肌肉。具体操作为：通过更换支撑架4、连接板9和第一连接件10，可快速更换不同内径的气动人工肌肉6；通过改变底座1、导轨座2、导轨16和丝杠17的长度以适应不同长度的气动人工肌肉6的静态特性的测试。本发明的气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统，还可以通过使用电机来代替防转动固定件19和手轮20来进一步提高实验平台的自动化程度。

本发明的气动人工肌肉静态特性综合测试装置及驱动系统，通过分别控制气缸的无杆腔、有杆腔、气动人工肌肉的气压，实现气动人工肌肉的等压、等长和等张特性的综合测试，本发明具有其它气动人工肌肉测试系统无法比拟的优势。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种气动人工肌肉静态特性综合测试装置，包括底座(1)，其特征在于，所述的底座(1)上的一端固定设置有支撑架(4)，所述底座(1)上沿长度方向的两侧通过固定安装的两条导轨座(2)设置有两条导轨(16)，所述两条导轨(16)上通过滑块(15)滑动的连接有气缸连接板(14)，所述支撑架(4)上在两条导轨(16)之间分别通过安装在靠近支撑架(4)一端的丝杠支撑侧组件(8)和远离支撑架(4)一端的丝杠支座组件(18)设置有用于驱动气缸连接板(14)沿所述导轨(16)移动的丝杠(17)，所述丝杠(17)位于丝杠支座组件(18)的一端贯穿丝杠支座组件(18)连接用于通过驱动所述丝杠(17)旋转带动气缸连接板(14)移动的手轮(20)，所述气缸连接板(14)上设置有气缸(13)，所述气缸(13)的驱动端连接拉力传感器(11)的一端，所述拉力传感器(11)的另一端通过连接板(9)连接被测试的气动人工肌肉(6)的非进气端，所述气动人工肌肉(6)的进气端固定在所述的支撑架(4)上，所述支撑架(4)上还通过连接杆(5)连接位移传感器(7)的一端，所述位移传感器(7)的另一端通过螺丝固定在所述连接板(9)上。

2.根据权利要求1所述的气动人工肌肉静态特性综合测试装置，其特征在于，所述的支撑架(4)是通过垫铁(3)固定设置在底座(1)上。

3.根据权利要求1所述的气动人工肌肉静态特性综合测试装置，其特征在于，所述气缸(13)的驱动端是通过第二连接件(12)连接拉力传感器(11)的一端。

4.根据权利要求1所述的气动人工肌肉静态特性综合测试装置，其特征在于，所述的拉力传感器(11)是通过第一连接件(10)与连接板(9)相连。

5.根据权利要求1所述的气动人工肌肉静态特性综合测试装置，其特征在于，在所述的丝杠(17)上位于丝杠支座组件(18)和手轮(20)之间设置有防转动固定件(19)。

6.一种权利要求1所述的气动人工肌肉静态特性综合测试装置的驱动系统，包括有气源组件(28)，其特征在于，所述气源组件(28)的出气口分别连接第一电磁阀(21)、第二电磁阀(22)和第三电磁阀(23)的第Ⅰ阀口，所述第一电磁阀(21)的第Ⅲ阀口连接气缸(13)的无杆腔气口，所述第二电磁阀(22)的第Ⅲ阀口连接气缸(13)的有杆腔气口，所述第三电磁阀(23)的第Ⅲ阀口连接气动人工肌肉(6)的进气端，所述第三电磁阀(23)的第Ⅱ阀口连接第四电磁阀(24)的第Ⅰ阀口，所述气缸(13)无杆腔气口设置有第一气压传感器(25)，所述气缸(13)有杆腔气口设置有第二气压传感器(26)，所述气动人工肌肉(6)的进气端设置有第三气压传感器(27)，其中，所述第一电磁阀(21)、第二电磁阀(22)、第三电磁阀(23)和第四电磁阀(24)的电磁驱动线圈分别各通过一个固态继电器(31)连接数据采集系统(29)的数字量输出端，所述第一气压传感器(25)、第二气压传感器(26)、第三气压传感器(27)、拉力传感器(11)和位移传感器(7)的信号端分别连接数据采集系统(29)的模拟量输入端，所述数据采集系统(29)连接计算机(30)。

7.根据权利要求6所述的气动人工肌肉静态特性综合测试装置的驱动系统，其特征在于，所述的固态继电器(31)输入端的负极连接数据采集系统(29)的接地端(GND)，固态继电器(31)输入端的正极连接数据采集系统(29)的数字量输出端(DO)，所述的固态继电器(31)输出端的负极分别连接所述第一电磁阀(21)、第二电磁阀(22)、第三电磁阀(23)和第四电磁阀(24)的24V接线端，固态继电器(31)输出端的正极连接开关电源(32)的24V接线端，所述第一电磁阀(21)、第二电磁阀(22)、第三电磁阀(23)和第四电磁阀(24)的地端连接开关电源(32)的接地端。